CN103513465A - 2d/3d可切换的液晶棱镜及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2D/3D可切换的液晶棱镜及其显示装置，液晶棱镜包括第一基板、与第一基板相对设置的第二基板、设置于第一基板面向第二基板的表面上的第一透明导电层、设置于第二基板面向第一基板的表面上的第二透明导电层、设置于第一透明导电层与第二透明导电层之间的一层叠结构。显示装置包括一背光模组、一液晶显示面板、一2D/3D可切换液晶棱镜。本发明的目的是通过在第一及第二透明导电层间施加电压，产生一个匀强电场，实现液晶棱镜2D/3D显示图像的切换。本发明使图像切换更易精确控制，且显示图像品质更佳，显示装置性能更好。

Description

2D/3D可切换的液晶棱镜及显示装置

技术领域

本发明涉及液晶显示领域，特别涉及一种2D/3D可切换的液晶棱镜及其显示装置。

背景技术

目前，主要的裸眼3D显示技术都是在以下这两种技术的基础上改良而成的：一是视差障壁技术，另一个为柱状透镜技术。视差障壁(Parallax Barrier)技术，也被称为视差屏障或视差障栅技术，它使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90度的垂直条纹。 这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。但由于背光遭到视差障壁的阻挡，所以亮度也会随之降低，要看到高亮度的画面比较困难。除此之外，分辨率也会随着显示器在同一时间播出影像的增加成反比降低，导致清晰度的降低。

柱状透镜(Lenticular Lens)的技术，也被称为双凸透镜或微柱透镜。它相比视差障壁技术最大的优点是其亮度不会受到影响，但观测视角宽度会稍小。它的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。但像素间的间隙也会被放大，因此不能简单地叠加子像素。如果使柱透镜与像素列成一定的角度，就可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像，实现图像显示。由于柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得到很好地保障。

对于柱状棱镜模式3D显示器，有棱镜薄膜和液晶棱镜两种方式，薄膜棱镜存在工艺难度高、制作成本高等问题，而传统的液晶棱镜方式因为需要额外的驱动，通过在直接接触液晶棱镜的上下两个表面设置电极以产生的驱动电场。但是此种方式产生的电场或得到的折射率曲线只能达到接近真正棱镜的程度，其电学特性与真正棱镜之间仍有偏差。

此外，现有技术还存在另一问题：电场中的电场线在不同位置分布疏密不均，使得电场强度函数是一个复杂函数，电场强度是非线性的。这对精确控制不同位置处的场强、电势等参数变化带来极大困难，也不利于控制液晶透镜的焦点。因此，场强不均将造成无法精确控制液晶透镜的等效折射率，进而影响到3D图像的显示效果以及显示装置的品质。

发明内容

本发明的主要目的是通过结构化的凹面或凸面结构，形成固定的液晶棱镜结构，特别是液晶柱状棱镜结构，而不用制作特定的电极图案，同时提供了一个匀强电场，使电场中的任意位置都有相同的电学特性，实现精确控制液晶棱镜的等效折射率，进而提高3D图像的显示效果。

为解决上述问题，本发明提供一种2D/3D可切换的液晶棱镜，包括：第一基板、与所述第一基板相对设置的第二基板、设置于所述第一基板面向所述第二基板的表面上的第一透明导电层、设置于所述第二基板面向所述第一基板的表面上的第二透明导电层、设置于所述第一透明导电层与所述第二透明导电层之间的一层叠结构，所述层叠结构包括一透明绝缘介质层、一液晶取向层以及一设置于所述明绝缘介质层和液晶取向层之间的液晶层，其中，所述透明绝缘介质层面向所述液晶层的表面形成多个凹面结构，所述液晶层包括多个液晶凸透镜，所述液晶凸透镜的凸面与所述透明绝缘介质层的凹面对应设置；所述第一透明导电层和所述第二透明导电层用于控制所述液晶凸透镜的等效折射率，并使所述等效折射率与所述透明绝缘介质的折射率相等或者不等。

优选地，射入所述层叠结构的光线依次通过所述液晶取向层、所述液晶层、所述透明绝缘介质层。

优选地，所述多个凹面结构为互相平行的长条形，所述液晶凸透镜为柱状液晶棱镜。

优选地，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层是整层的电极。

优选地，所述液晶取向层的摩擦方向与所述柱状液晶棱镜的延伸方向平行。

所述液晶棱镜工作于第一状态和第二状态；第一状态下，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第一电压V₁，所述液晶凸透镜等效折射率为n₁；第二状态下，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第二电压V₂，所述液晶凸透镜等效折射率为n₂，且所述透明绝缘介质层的折射率为n'，V₁≠V₂，n₁≠n₂，n_o≤n₁≤n_e，n_o≤n₂≤n_e，其中n_o为所述液晶分子的寻常光折射率，n_e为所述液晶分子的非寻常光折射率。

在n'=n₁时，当所述液晶棱镜工作在第一状态下，优选地，在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第一电压V₁为零时，优选地，所述液晶层的液晶分子是正极性液晶分子时，其长轴平行于所述第二基板，此时，所述的液晶凸透镜的等效折射率n₁=n_e。由于所述透明绝缘介质层的折射率n'=n₁，也即n'=n₁=n_e，因此，所述液晶凸透镜的等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率相同，射入所述液晶棱镜的光线不发生折射，人们看到的是2D图像。当所述液晶棱镜工作在第二状态下，也即在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第二电压V₂，所述液晶分子的长轴将在电场的作用下，与所述第二基板将形成一定角度。该角度随所施加的电压值V₂的增大而增大，同时，所述液晶凸透镜的等效折射率也将随所施加的电压值V₂的增大而减小。优选地当所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴垂直于所述第二基板时，所述液晶凸透镜的折射率n₂减为最小值n_o。那么，由于所述透明绝缘介质层的折射率n'=n₁=n_e，可知所述液晶凸透镜的等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率不同，射入所述液晶棱镜的光线将发生折射，人们看到的是3D图像。由此实现了通过在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加不同电压来调整所述液晶凸透镜的等效折射率，以完成从2D到3D图像的切换。

同理，在n'=n₂时，当所述液晶棱镜工作在第一状态下，优选地，在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第一电压V₁为零时，优选地，所述液晶层的液晶分子是正极性液晶分子时，其长轴平行于所述第二基板，此时，所述的液晶凸透镜的等效折射率n₁=n_e。由于所述透明绝缘介质层的折射率n'=n₂，因此，所述液晶凸透镜的等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率不同，射入所述液晶棱镜的光线将发生折射，人们看到的是3D图像。当所述液晶棱镜工作在第二状态下，也即在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第二电压V₂，所述液晶分子的长轴将在电场的作用下，与所述第二基板将形成一定角度。该角度随所施加的电压值V₂的增大而增大，同时，所述液晶凸透镜的等效折射率也将随所施加的电压值V₂的增大而减小。优选地当所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴垂直于所述第二基板时，所述液晶凸透镜的折射率n₂减为最小值n_o。那么，由于所述透明绝缘介质层的折射率n'=n₂=n_o，可知所述液晶凸透镜的等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率相同，射入所述液晶棱镜的光线不发生折射，人们看到的是2D图像。由此实现了通过在所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加不同电压来调整所述液晶凸透镜的等效折射率，以完成从3D到2D图像的切换。

优选地，所述液晶凸透镜的等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率之差为0.3。

所述透明绝缘介质层是有机膜或者氮化硅或者氧化硅中的一种或它们的组合。

本发明同时提供了一种显示装置，包括一背光模组、一液晶显示面板、一种如前所述的2D/3D可切换液晶棱镜，其中，所述背光模组所产生的光线依次通过所述液晶显示面板、所述2D/3D可切换液晶棱镜；所述液晶显示面板面向所述液晶棱镜的一侧设置一第一偏光板。

优选地，所述液晶取向层的摩擦方向与所述第一偏光板的偏振方向平行。

所述液晶显示面板面向所述背光模组的一侧设置一第二偏光板，所述第二偏光板的偏振方向与所述第一偏光板的偏振方向成90度。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明设置了结构化的凹面或凸面结构，形成固定的液晶棱镜结构而不用制作特定的电极图案，同时通过两层平行电极层，提供了一个匀强电场，使电场中的任意位置都有相同的电学特性，实现精确控制液晶棱镜的等效折射率，进而提高3D图像的显示效果。

附图说明

图1a是本发明所述液晶棱镜的结构示意图；

图1b是本发明所述液晶棱镜的另一结构示意图；

图2a是本发明所述液晶棱镜的一个实施例中第一透明导电层的俯视图；

图2b是本发明所述液晶棱镜的一个实施例的结构示意图；

图2c是本发明所述液晶棱镜的一个实施例的示意图；

图2d是本发明所述液晶棱镜的一个实施例中第二透明导电层的俯视图；

图2e是本发明所述液晶棱镜的一个实施例中第一透明导电层或者第二透明导电层的俯视图；

图2f是本发明所述液晶棱镜的一个实施例的结构示意图；

图3a是本发明所述液晶棱镜的一个实施例的示意图；

图3b是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图3c是本发明所述液晶棱镜的一个实施例的示意图；

图3d是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图3e是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图3f是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图3g是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图3h是本发明所述液晶棱镜在一个实施例中的液晶分子沿图3a中C方向的视图；

图4是本发明所述显示装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1。图1a显示了一种2D/3D可切换的液晶棱镜的截面结构，该液晶棱镜包括：

第一基板101；

与第一基板101相对设置的第二基板102；

设置于第一基板101面向第二基板102的表面上的第一透明导电层103；需要说明的是，本申请文件中“表面上”的含义是所涉及的部件可以直接接触，也可以不直接接触。因此，第一透明导电层103可以直接与第一基板101面向第二基板102的表面接触，也可以在第一透明导电层103和第一基板101面向第二基板102的表面之间设置其他结构，使得第一透明导电层103与第一基板101面向第二基板102的表面间接接触。

设置于第二基板102面向第一基板101的表面上的第二透明导电层104；如前文对“表面上”定义，第二透明导电层104可以直接与第二基板102面向第一基板101的表面接触，也可以通过其他结构与第二基板102面向第一基板101的表面间接接触。

以及设置于第一透明导电层103与第二透明导电层104之间的一层叠结构105，所述层叠结构105从入射光的入光面106到出射面107依次包括一液晶取向层108、一液晶层109和一透明绝缘介质层110。液晶层109是由夹在透明绝缘介质层110和液晶取向层108之间的、由液晶填充形成的。液晶取向层108用来使液晶分子在未被施加电场时沿着特定方向排列。 其中，在透明绝缘介质层110面向液晶层109的表面111形成多个凹面结构；通常情况下，形成该多个凹面结构的透明绝缘介质层110面向液晶层109的表面111直接与该液晶层109直接接触。液晶层109包括多个液晶凸透镜113，液晶凸透镜113的凸面与透明绝缘介质层110的凹面对应设置。通过在第一透明导电层103和第二透明导电层104之间施加不同电场，调整液晶层109中的液晶分子的排列，以控制液晶凸透镜113的等效折射率，使该等效折射率在与透明绝缘介质层110的折射率相等或者不等时，实现2D/3D图像的切换。

作为本实施例的一种变形，请参阅图1b，射入层叠结构105的入射光从入射面106到出射面107也可以依次通过一透明绝缘介质层110、一液晶层109以及一液晶取向层108。液晶层109是由夹在透明绝缘介质层110和液晶取向层108之间的、由液晶填充形成的。

需要说明的是，本实施例中透明绝缘介质层110可以依照产品不同的性能要求，设计成多层结构，每一层由不同的透明绝缘材料构成。优选地，透明绝缘介质层110是一层透明绝缘材料。

此外，液晶凸透镜113的凸面与透明绝缘介质层110的凹面结构对应设置，通常情况下是一一对应设置，并且液晶凸透镜113的凸面实质是由透明绝缘介质层110的凹面限定的，也即是由液晶填充所述透明绝缘介质层110的凹面所形成的空间进而形成液晶凸透镜113。

本实施例中第一基板101或者第二基板102的材料可以是玻璃、石英、塑料或者其他透明的绝缘材料。优选地，第一基板101或者第二基板102的材料是玻璃。

液晶凸透镜113和透明绝缘介质层110形成的凹面结构只要是如前所述一一对应，即可实现2D/3D图像切换的功能，与他们本身的形状无关。优选地，液晶棱镜中多个凹面结构为互相平行的长条形，液晶凸透镜113也相应地为柱状液晶棱镜。

请参阅图2a至图2d。本发明中第一透明导电层203可以是包含多个长条状第一控制电极203a。多个第一控制电极203a之间互相平行，布满并形成了第一透明导电层203，如图2a所示。由多个第一控制电极203a形成的第一透明导电层203与第二透明导电层204共同形成了一个匀强电场，如图2b所示。在另一个实施例中，第二透明导电层204也包含多个互相平行的并与第一控制电极203a相对应的长条状第二控制电极204a，布满并形成了第二透明导电层204，如图2d所示。由多个第二控制电极204a形成的第二透明导电层204与第一透明导电层203共同形成了一个匀强电场，如图2c所示。作为一种优选的实施方式，第二控制电极204a与第一控制电极203a的大小、形状、排列方式相同，并在垂直于第二基板202的方向上重合。

需要说明的是，第一控制电极203a和第二控制电极204a只要大小、形状、排列方式相同，并且在垂直于第二基板202的方向上重合排列即可提供一个匀强电场，与他们是具体的什么形状无关。他们可以是如图2e 所示的形状和排列方式，也可以是其它任意一种具体形状或者排列方式。

当多个长条状第一控制电极203a和/或第二控制电极204a的延伸方向与凹面的延伸方向相同，也即沿A方向延伸，且排列方向与凹面的排列方向相同，也即沿B方向排列，并且该排列方向垂直于透明绝缘介质层110凹面的延伸方向时，是优选的实施方式。

优选地，如图2f所示，第一透明导电层203和第二透明导电层204还可以是整层的电极，这样在工艺上比较简单。

需要说明的是，以上所有实施例中，所述第一透明导电层203与第二透明导电层204间的液晶取向层208、液晶层209和透明绝缘介质层210的结构设置可以采用图1a或图1b中任意一种方式，优选地采用图1a中的结构设置。

下面结合图3a至图3f说明液晶棱镜的工作原理和实施例。

液晶棱镜根据第一透明导电层303和第二透明导电层304间先后施加的不同电压值工作于第一状态和第二状态；第一状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加第一电压V₁，液晶凸透镜等效折射率为n₁；第二状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加第二电压V₂，液晶凸透镜等效折射率为n₂，且透明绝缘介质层310的折射率为n'，V₁≠V₂，n₁≠n₂，n_o≤n₁≤n_e，n_o≤n₂≤n_e，其中n_o为液晶分子的寻常光折射率，n_e为液晶分子的非寻常光折射率。

当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加第一电压V₁时，液晶棱镜工作在第一状态下，液晶分子的长轴会在第一电压V₁的作用下，与第二基板302形成一定夹角θ₁，0≤θ₁≤90^○，如图3b所示，此时对于入射液晶棱镜的光来说，液晶凸透镜313的等效折射率为n₁。当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加第二电压V₂时，液晶棱镜工作在第二状态下。液晶分子的长轴会在第二电压V₂的作用下，与第二基板302形成另一夹角θ₂，0≤θ₂≤90^○，如图3d所示，且V₁≠V₂，θ₁≠θ₂，此时对于入射液晶棱镜的光来说，液晶凸透镜313的等效折射率为n₂。

一般情况下，液晶棱镜都是与显示面板配合一起使用的，入射到液晶棱镜的光是偏振光。本申请文件以液晶取向层的摩擦方向与柱状液晶棱镜的延伸方向平行，入射到液晶棱镜中的偏振光偏振方向平行于液晶取向层的摩擦方向为例进行说明，但不仅限于此种情况，下文同此。

基于上述液晶棱镜的两个工作状态，在不同的实施例中可以选取不同材料的透明绝缘介质层。若所选取的透明绝缘介质层的折射率n'等于第一状态下液晶凸透镜等效折射率n₁或第二状态下液晶凸透镜等效折射率n₂，那么液晶棱镜就可以在第一状态与第二状态转换时实现了2D显示与3D显示的切换。

实施例一

本实施例中，液晶棱镜中的透明绝缘介质层310的折射率n'等于第一状态下液晶凸透镜313的等效折射率n₁，那么在第一状态下入射液晶棱镜的光在两介质的交界面处不发生折射，人们看到的是2D图像。同时，由于n₁≠n₂，那么液晶棱镜中的透明绝缘介质层310的折射率n'不等于第二状态下液晶凸透镜313的等效折射率n₂，那么在第二状态下射入液晶棱镜的光发生折射，人们看到的就是3D图像。由此液晶棱镜从第一状态变换到第二状态时完成了从2D显示到3D显示的切换。

实施例二

实施例二是在实施例一的基础上进一步的一个优选实施例。本实施例中，液晶层309的液晶分子采用正极性液晶分子。

当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压越大，正极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角也越大，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率也越小。当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压为零时，正极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为零，也即正极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最大，为非寻常光折射率n_e，如图3e所示；当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加一个足够大的电压时，正极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为最大角90度，也即正极性液晶分子的长轴垂直于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最小，为寻常光折射率n_o，如图3f所示。

因此，第一状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₁≤n_e；第二状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₂≤n_e。V₁≠V₂时n₁≠n₂。

液晶层309的液晶分子采用正极性液晶分子，液晶棱镜第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁可以有不同的设置。

优选地，如图3a所示，液晶棱镜工作在第一状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁为零，液晶层309的液晶分子的长轴平行于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₁=n_e。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n₁=n_e，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率相同，射入液晶棱镜的偏振光不发生折射，人们看到的是2D图像。

当然，液晶棱镜工作在第一状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁也可以不为零，液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₁<n_e。

与上述液晶棱镜工作在第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁的不同取值相对应地，液晶棱镜第二状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂可以有不同的设置。

优选地，如图3c所示，液晶棱镜第二状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂足够大，使得液晶层309的液晶分子的长轴垂直于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₂=n_o。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n_e，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率不同，射入液晶棱镜的光线将发生折射，人们看到的是3D图像。

当然，液晶棱镜第二状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂也可以设置为并不足够大，使得液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₂<n_e。

实施例三

本实施例是在实施例一的基础上进一步的另一个优选实施例。本实施例中，液晶层309的液晶分子采用负极性液晶分子。

当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压越大，负极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角也越小，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率也越小。当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压为零时，在液晶取向层的作用下，负极性的液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为90度，也即负极性液晶分子的长轴垂直于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最大，为非寻常光折射率n_e，参阅图3h；当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加一个足够大的电压时，负极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为最小值0度，也即负极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最小，为寻常光折射率n_o，参阅图3g。

因此，第一状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₁≤n_e；第二状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₂≤n_e。V₁≠V₂时n₁≠n₂。

液晶层309的液晶分子采用负极性液晶分子，液晶棱镜第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁可以有不同的设置。

优选地，如图3c所示，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁为零时，液晶棱镜工作在第一状态，液晶层309的负极性液晶分子的长轴垂直于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₁=n_e。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n₁=n_e，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率相同，射入液晶棱镜的偏振光不发生折射，人们看到的是2D图像。

当然，液晶棱镜工作在第一状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁也可以不为零，液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₁<n_e。

与上述液晶棱镜工作在第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁的不同取值相对应地，液晶棱镜第二状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂可以有不同的设置。

优选地，如图3a所示，当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂足够大时，液晶棱镜工作在第二状态，液晶层309的负极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₂=n_o。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n_e，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率不同，射入液晶棱镜的光线将发生折射，人们看到的是3D图像。

当然，液晶棱镜第二状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂也可以设置为并不足够大，使得液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₂<n_e。

实施例四 

在本实施例中，液晶棱镜中的透明绝缘介质层310的折射率n'等于第二状态下液晶凸透镜313的等效折射率n₂，那么在第二状态下入射液晶棱镜的光在两介质的交界面处不发生折射，人们看到的是2D图像。同时，由于n₁≠n₂，那么液晶棱镜中的透明绝缘介质层310的折射率n'不等于第一状态下液晶凸透镜313的等效折射率n₁，那么在第一状态下射入液晶棱镜的光发生折射，人们看到的就是3D图像。由此液晶棱镜从第一状态变换到第二状态时完成了从3D显示到2D显示的切换。

实施例五

实施例五是在实施例四的基础上进一步的一个优选实施例。本实施例中，液晶层309的液晶分子采用正极性液晶分子。

当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压越大，正极性的液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角也越大，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率也越小。当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压为零时，正极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为零，也即正极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最大，为非寻常光折射率n_e，如图3e所示；当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加一个足够大的电压时，正极性液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为最大角90度，也即正极性液晶分子的长轴垂直于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最小，为寻常光折射率n_o，如图3f所示。

因此，第一状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₁≤n_e；第二状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₂≤n_e。V₁≠V₂时n₁≠n₂。

液晶层309的液晶分子采用正极性液晶分子，液晶棱镜第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁可以有不同的设置。

优选地，如图3a所示，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁为零时，液晶棱镜工作在第一状态，液晶层309的液晶分子的长轴平行于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₁=n_e。由于透明绝缘介质层310折射率n'被设定为液晶棱镜工作在第二状态时的等效折射率n₂，并优选地使n₂等于寻常光折射率n_o，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率不同，射入液晶棱镜的偏振光将发生折射，人们看到的是3D图像。

当然，液晶棱镜工作在第一状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁也可以不为零，液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₁<n_e。

与上述液晶棱镜工作在第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁的不同取值相对应地，液晶棱镜第二状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂可以有不同的设置。

优选地，如图3c所示，当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂足够大时，液晶棱镜工作在第二状态，液晶层309的液晶分子的长轴垂直于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₂=n_o。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n₂=n_o，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率相同，射入液晶棱镜的光线不发生折射，人们看到的是2D图像。

当然，液晶棱镜第二状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂也可以设置为并不足够大，使得液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₂<n_e。

实施例六

实施例六是在实施例四的基础上进一步的另一个优选实施例。本实施例中，液晶层309的液晶分子采用负极性液晶分子。

当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压越大，负极性的液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角也越小，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率也越小。当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的电压为零时，在液晶取向层的作用下，负极性的液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为90度，也即负极性的液晶分子的长轴垂直于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最大，为非寻常光折射率n_e，参阅图3h；当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加一个足够大的电压时，负极性的液晶分子的长轴与第二基板302形成的夹角为最小值0度，也即负极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，且对于入射液晶棱镜的偏振光来说，液晶凸透镜313的等效折射率最小，为寻常光折射率n_o，参阅图3g。

因此，第一状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₁≤n_e；第二状态下，n_o≤液晶凸透镜等效折射率n₂≤n_e。V₁≠V₂时n₁≠n₂。

液晶层309的液晶分子采用负极性液晶分子，液晶棱镜第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁可以有不同的设置。

优选地，参阅图3c，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁为零时，液晶棱镜工作在第一状态，液晶层309的负极性液晶分子的长轴垂直于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₁=n_e。由于透明绝缘介质层310折射率n'被设定为液晶棱镜工作在第二状态时的等效折射率n_2，并优选地使n₂等于寻常光折射率n_o，因此，液晶凸透镜313的等效折射率n₁与透明绝缘介质层310的折射率n'不同，射入所述液晶棱镜的偏振光将发生折射，人们看到的是3D图像。

当然，液晶棱镜工作在第一状态下，第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁也可以不为零，液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₁<n_e。

与上述液晶棱镜工作在第一状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第一电压V₁的不同取值相对应地，液晶棱镜第二状态下在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂可以有不同的设置。

优选地，如图3a所示，当第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加第二电压V₂足够大时，液晶棱镜工作在第二状态，液晶层309的负极性液晶分子的长轴平行于第二基板302，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n₂=n_o。由于透明绝缘介质层310折射率n'=n₂=n_o，因此，液晶凸透镜313的等效折射率与透明绝缘介质层310的折射率相同，射入液晶棱镜的光线不发生折射，人们看到的是2D图像。

当然，液晶棱镜第二状态下，在第一透明导电层303和第二透明导电层304间施加的第二电压V₂也可以设置为并不足够大，使得液晶层309的液晶分子的长轴与第二基板302存在一小于90度的夹角，此时，液晶凸透镜313的等效折射率n_o<n₂<n_e。

以上所有实施例中的第一电压V₁和第二电压V₂都是正值，表示第一透明导电层和第二透明导电层之间的电压的绝对值，与第一透明导电层的电位和第二透明导电层电位的相对大小没有关系。

此外，以上所有实施例中所述的平行或者垂直并不表示绝对的平行或者垂直，在误差允许的范围内可被认为允许存在一定的角度偏差。

一般地，液晶凸透镜的等效折射率n₁与透明绝缘介质层的折射率n₂之间的差值只要大于0就认为能够区分2D和3D图像。为了获得比较好的显示图像切换效果，液晶凸透镜的等效折射率与透明绝缘介质层的折射率n'之间的差值，也即n₁和n₂之间的差值越大越好。本发明在保证实现2D和3D图像切换的情况下，使液晶凸透镜的等效折射率与透明绝缘介质层的折射率n'之间的差值，也即n₁和n₂之间的差值，介于0到0.3之间。优选地，n₁与n₂之间的差值为0.3，以实现在第一透明导电层和第二透明导电层间施加一个较小的电压即可完成2D/3D显示图像的切换，减小驱动电路损耗。

本发明的液晶棱镜中透明绝缘介质层可以是有机膜或者氮化硅或者氧化硅中的一种或它们的组合。可以根据产品的不用性能要求，选取任意透明的绝缘材料作为透明绝缘介质层，并不限于此处所列举的材料。优选地，透明绝缘介质层是透明的有机膜。

实施例七

请参阅图4。本发明同时提供了一种显示装置，包括一背光模组401、一液晶显示面板402、一种如前所述的2D/3D可切换液晶棱镜403。背光模组401所产生的光线依次通过液晶显示面板402、2D/3D可切换液晶棱镜403。液晶显示面板402在一对透明基板之间提供了液晶材料，并在透明基板直接接触液晶材料一侧的表面上铺了透明氧化锡铟（也即ITO）作为导电电极。液晶显示面板402包含多个像素区域，通过在导电电极间施加的不同电压控制每一个像素区域内的液晶分子转动，以便调整背光强度，显示不同灰阶。液晶显示面板402在面向液晶棱镜403的一侧设置有一第一偏光板402a，在面向背光模组401的一侧设置有一第二偏光板402b，且第二偏光板的偏振方向与第一偏光板的偏振方向成90度。

优选地，显示装置中的2D/3D可切换液晶棱镜403的液晶取向层403a的摩擦方向与第一偏光板402a的偏振方向平行，使射入液晶棱镜403的偏振光的偏振方向平行于液晶取向层403a的摩擦方向。相应地,第二偏光板402b的偏振方向与液晶取向层403a的摩擦方向垂直。通过在液晶棱镜403的第一透明导电层403b和第二透明导电层403c间施加一定电压，控制液晶棱镜403的液晶凸透镜403d的等效折射率来实现2D/3D显示图像的切换。

    本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (32)

1.一种2D/3D可切换的液晶棱镜，包括：

    第一基板；     与所述第一基板相对设置的第二基板；

    设置于所述第一基板面向所述第二基板的表面上的第一透明导电层；

    设置于所述第二基板面向所述第一基板的表面上的第二透明导电层；

    设置于所述第一透明导电层与所述第二透明导电层之间的一层叠结构，所述层叠结构包括一透明绝缘介质层、一液晶取向层以及一设置于所述透明绝缘介质层和液晶取向层之间的液晶层，其中，所述透明绝缘介质层面向所述液晶层的表面形成多个凹面结构，所述液晶层包括多个液晶凸透镜，所述液晶凸透镜的凸面与所述透明绝缘介质层的凹面对应设置；所述第一透明导电层和所述第二透明导电层用于控制所述液晶凸透镜的等效折射率，并使所述等效折射率与所述透明绝缘介质层的折射率相等或者不等。

2.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其中所述多个凹面结构为互相平行的长条形，所述液晶凸透镜为柱状液晶棱镜。

3.根据权利要求2所述的液晶棱镜，其特征在于，所述第一透明导电层包含多个互相平行的长条状第一控制电极。

4.根据权利要求3所述的液晶棱镜，其特征在于，所述第二透明导电层包含多个互相平行的并与所述第一控制电极相对应的长条状第二控制电极。

5.根据权利要求3所述的液晶棱镜，其特征在于，所述多个长条状第一控制电极的延伸方向与所述凹面的延伸方向相同。

6.根据权利要求4所述的液晶棱镜，其特征在于，所述多个长条状第二控制电极，其延伸方向与所述凹面的延伸方向相同。

7.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其特征在于，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层是整层的电极。

8.根据权利要求2所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶取向层的摩擦方向与所述柱状液晶棱镜的延伸方向平行。

9.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶棱镜工作于第一状态和第二状态；第一状态下，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第一电压V₁，所述液晶凸透镜等效折射率为n₁；第二状态下，所述第一透明导电层和所述第二透明导电层间施加第二电压V₂，所述液晶凸透镜等效折射率为n₂，且所述透明绝缘介质层的折射率为n'，V₁≠V₂，n₁≠n₂，n_o≤n₁≤n_e，n_o≤n₂≤n_e，其中n_o为所述液晶分子的寻常光折射率，n_e为所述液晶分子的非寻常光折射率。

10.根据权利要求9所述的液晶棱镜，其特征在于，n'=n₁。

11.根据权利要求10所述的液晶棱镜，其特征在于，第一状态下，V₁=0V，n₁=n_e。

12.根据权利要求11所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶层的液晶分子是正极性液晶分子，第一状态下，所述液晶分子的长轴平行于所述第二基板。

13.根据权利要求12所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n_o<n₂<n_e，所述液晶分子的长轴与所述第二基板形成的夹角小于90度。

14.根据权利要求12所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n₂=n_o，所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴垂直于所述第二基板。

15.根据权利要求11所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶层的液晶分子是负极性液晶分子，第一状态下，所述液晶分子的长轴与所述第二基板垂直。

16.根据权利要求15所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n_o<n₂<n_e，所述液晶分子的长轴与所述第二基板形成的夹角小于90度。

17.根据权利要求15所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n₂=n_o，所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴平行于所述第二基板。

18.根据权利要求9所述的液晶棱镜，其特征在于，n'=n₂。

19.根据权利要求18所述的液晶棱镜，其特征在于，第一状态下，V₁=0V，n₁=n_e。

20.根据权利要求19所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶层的液晶分子是正极性液晶分子，第一状态下，所述液晶分子的长轴平行于所述第二基板。

21.根据权利要求20所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n_o<n₂<n_e，所述液晶分子的长轴与所述第二基板形成的夹角小于90度。

22.根据权利要求20所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n₂=n_o，所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴垂直于所述第二基板。

23.根据权利要求19所述的液晶棱镜，其特征在于，所述液晶层的液晶分子是负极性液晶分子，第一状态下，所述液晶分子的长轴与所述第二基板垂直。

24.根据权利要求23所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n_o<n₂<n_e，所述液晶分子的长轴与所述第二基板形成的夹角小于90度。

25.根据权利要求23所述的液晶棱镜，其特征在于，第二状态下，n₂=n_o，所述第二电压V₂足够大使得所述液晶分子的长轴平行于所述第二基板。

26.根据权利要求9所述的液晶棱镜，其特征在于，0 < |n₁-n₂|≤0.3。

27.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其特征在于，所述透明绝缘介质层是有机膜或者氮化硅或者氧化硅中的一种或它们的组合。

28.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其特征在于，射入所述层叠结构的光线依次通过所述液晶取向层、所述液晶层、所述透明绝缘介质层。

29.根据权利要求1所述的液晶棱镜，其特征在于，射入所述层叠结构的光线依次通过所述透明绝缘介质层、所述液晶层、所述液晶取向层。

30.一种显示装置，包括一背光模组、一液晶显示面板、一2D/3D可切换液晶棱镜，其中，

    所述背光模组所产生的光线依次通过所述液晶显示面板、所述2D/3D可切换液晶棱镜；

所述液晶显示面板面向所述液晶棱镜的一侧设置一第一偏光板；

所述2D/3D可切换的液晶棱镜，是根据权利要求1-29中任意一项权利要求所述的液晶棱镜。

31.根据权利要求30所述的显示装置，其特征在于，所述液晶取向层的摩擦方向与所述第一偏光板的偏振方向平行。

32.根据权利要求30所述的显示装置，其特征在于，所述液晶显示面板面向所述背光模组的一侧设置一第二偏光板，所述第二偏光板的偏振方向与所述第一偏光板的偏振方向成90度。

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